תרמודינמיקה והעברת חום. שיטות העברת חום וחישוב. העברת חום היא ...

היום ננסה למצוא את התשובה לשאלה "העברת חום היא ...?". במאמר נשקול מה התהליך, אילו סוגים הוא קיים בטבע, וגם ללמוד מה הקשר בין העברת חום תרמודינמיקה.

הגדרה

העברת חום היא תהליך פיזי, המהות של אשר הוא העברת אנרגיה חום. Exchange מתרחשת בין שני גופים או המערכת שלהם. יחד עם זאת, העברת החום מגופים חמים לגופים מחוממים פחות היא תנאי מוקדם.

תכונות תהליך

העברת חום היא סוג של תופעה שיכולה להתרחש הן במגע ישיר בנוכחות מחיצות חלוקת. במקרה הראשון, הכל ברור, במקרה השני, גופים, חומרים, התקשורת יכול לשמש מחסומים. העברת חום תתרחש במקרים שבהם מערכת המורכבת משני גופים או יותר אינה במצב של שיווי משקל תרמי. כלומר, אחד האובייקטים יש טמפרטורה גבוהה או נמוכה יותר מאשר אחרים. ואז העברת אנרגיה החום מתרחש. זה הגיוני להניח כי זה יסתיים כאשר המערכת מגיעה למצב של תרמודינמי, או שיווי משקל תרמי. התהליך הוא ספונטני, כפי שאנו יכולים לספר את החוק השני של התרמודינמיקה.

סוגים

העברת חום היא תהליך שניתן לחלק לשלוש דרכים. הם יהיו בעלי אופי בסיסי, שכן בתוכם ניתן להבדיל בין קטגוריות משנה אמיתיות, שיש להן תכונות אופייניות משלהן, על פי חוקים כלליים. עד כה, מקובל להבחין בין שלושה סוגים של העברת חום. זוהי מוליכות תרמית, הסעה והקרנה. ללא שם: נתחיל עם הראשון, אולי.

דרכים להעברת חום. מוליכות תרמית.

זה איך את הנכס של הגוף הזה או חומר זה נקרא לבצע את העברת האנרגיה. במקרה זה, הוא מועבר מן החלק מחומם יותר לזה הוא קר. בלב התופעה הזאת טמון עיקרון התנועה הכאוטית של המולקולות. זוהי התנועה הבראונית כביכול. ככל שהטמפרטורה בגוף גבוהה יותר, כך המולקולות פעילות יותר, כיוון שיש להן יותר אנרגיה קינטית. בתהליך מוליכות תרמית, אלקטרונים, מולקולות, ואת האטומים להשתתף. זה נעשה בגופים, חלקים שונים מהם יש טמפרטורה לא שווה.

אם החומר מסוגל לנהל חום, אנחנו יכולים לדבר על נוכחות של מאפיין כמותי. במקרה זה תפקידו הוא שיחק על ידי מקדם מוליכות תרמית. מאפיין זה מראה כמה חום יעבור דרך יחידת אורך ואזור ליחידת זמן. במקרה זה, את הטמפרטורה של הגוף ישתנה על ידי בדיוק 1 K.

בעבר היה זה האמין כי חילופי חום בגופים שונים (כולל העברת החום של מבנים סגורה) נובע מכך מחלק אחד של הגוף לזרימה אחרת שנקרא חום. עם זאת, אף אחד לא מצא שום סימנים של קיומו האמיתי, וכאשר התיאוריה המולקולרית-קינטית התפתחה לרמה מסוימת, כולם שכחו לחשוב על החום, שכן ההשערה התבררה כבלתי אפשרית.

הסעה. העברת חום של מים

בשיטה זו של החלפת חום, שידור על ידי זורם פנימי הוא הבין. בואו נדמיין קומקום עם מים. כידוע, זרימות אוויר מחוממות יותר מתרוממות כלפי מעלה. והקור, כבד יותר, נופל למטה. אז למה המים צריכים להיות שונים? זה בדיוק אותו הדבר. ועכשיו בתהליך של מחזור כזה, כל שכבות המים, לא משנה כמה, יחמם לפני תחילת מצב של שיווי משקל תרמי. בתנאים מסוימים, כמובן.

קרינה

שיטה זו מורכבת בעיקרון של קרינה אלקטרומגנטית. זה נובע אנרגיה פנימית. אנחנו לא הולכים לתוך התיאוריה של קרינה תרמית , אנו פשוט לציין כי הסיבה כאן הוא הסדר של חלקיקים טעונים, אטומים ומולקולות.

בעיות פשוטות של הולכה חום

עכשיו בואו נדבר על איך חישוב החום נראה כמו בפועל. בואו לפתור משימה פשוטה הקשורה לכמות החום. נניח שיש לנו מסה של מים שווים חצי קילו. טמפרטורת המים הראשונית היא 0 מעלות צלזיוס, הטמפרטורה הסופית היא 100. בואו למצוא את כמות החום השקיענו לחימום מסה זו של החומר.

בשביל זה אנחנו צריכים את הנוסחה Q = cm (t _2- t ₁ ), כאשר Q הוא כמות החום, c הוא החום הספציפי של המים, m הוא המסה של החומר, t ₁ הוא הראשונית, t ₂ היא הטמפרטורה הסופית. עבור מים, הערך של c הוא טבלאי. קיבולת החום הספציפית תהיה 4200 J / kg * C. עכשיו תחליף ערכים אלה בנוסחה. בואו ניקח כי כמות החום יהיה שווה ל 210000 J, או 210 kJ.

החוק הראשון של התרמודינמיקה

תרמודינמיקה והעברת חום קשורים זה לזה בחוקים מסוימים. הם מבוססים על הידיעה ששינויים באנרגיה הפנימית בתוך המערכת ניתנים להשגה בשתי שיטות. הראשון - הגשמה של עבודה מכנית. השני הוא המסר של כמות מסוימת של חום. אגב, עיקרון זה מבוסס על החוק הראשון של התרמודינמיקה. הנה הניסוח שלו: אם המערכת כבר הודיע על כמות מסוימת של חום, זה יהיה בילה על עושה עבודה על גופים חיצוניים או על הגדלת האנרגיה הפנימית שלה. סימון מתמטי: dQ = dU + dA.

יתרונות או יתרונות?

בהחלט את כל הכניסות להיכנס לסימון מתמטי של החוק הראשון של התרמודינמיקה ניתן לכתוב עם סימן פלוס סימן מינוס. הבחירה שלהם תהיה מוכתבת על ידי תנאי התהליך. נניח שהמערכת מקבלת כמות מסוימת של חום. במקרה זה, הגופים בו מחוממים. כתוצאה מכך, מתרחבת התרחבות הגז, כלומר עבודה מתבצעת. כתוצאה מכך, הערכים יהיו חיוביים. אם כמות החום נלקחת משם, הגז מתקרר, העבודה מבוצעת מעל זה. ערכים ייקחו ערכים הפוכים.

ניסוח אלטרנטיבי של החוק הראשון של התרמודינמיקה

נניח שיש לנו מנוע פועל מדי פעם. בתוכה, הגוף העובד (או המערכת) מבצע תהליך מעגלי. זה נקרא בדרך כלל מחזור. כתוצאה מכך, המערכת תחזור למצב המקורי שלה. יהיה זה הגיוני להניח שבמקרה זה השינוי באנרגיה הפנימית יהיה אפס. מתברר כי כמות החום יהיה שווה את העבודה המושלמת. הוראות אלה מאפשרות לנסח את החוק הראשון של התרמודינמיקה בצורה אחרת.

מתוך זה אנו יכולים להבין כי בטבע לא יכול להתקיים מכונה תנועה מתמדת מן הסוג הראשון. כלומר, מכשיר שעושה עבודה רבה יותר בהשוואה לאנרגיה המתקבלת מבחוץ. במקרה זה, פעולות יש לבצע מעת לעת.

החוק הראשון של התרמודינמיקה עבור isoprocesses

הבה נבחן תחילה את התהליך האיזוכורי. עם זאת, נפח נשאר קבוע. לכן, שינוי עוצמת הקול יהיה אפס. כתוצאה מכך, העבודה תהיה גם אפס. אנו משליכים את המונח הזה מן החוק הראשון של התרמודינמיקה, ולאחר מכן אנו מקבלים את הנוסחה dQ = dU. לפיכך, בתהליך איזוכורי, כל החום המסופק למערכת הולך להגדיל את האנרגיה הפנימית של הגז או התערובת.

עכשיו בואו נדבר על התהליך האיזוברי. הערך הקבוע בו נשאר את הלחץ. במקרה זה, האנרגיה הפנימית תשתנה במקביל לעבודה. הנה הנוסחה המקורית: dQ = dU + pdv. אנחנו יכולים בקלות לחשב את העבודה נעשה. זה יהיה שווה את הביטוי UR (T _2- T ₁ ). אגב, זוהי המשמעות הפיזית של קבוע הגז האוניברסלי. בנוכחות שומה אחת של גז הפרש טמפרטורה של קלווין אחד, גז אוניברסלי קבוע יהיה שווה לעבודה שבוצעה בתהליך isobaric.